CN105605806B - 一种太阳跟踪装置 - Google Patents

Abstract

一种太阳跟踪装置，包括集热器(6)、安装在所述集热器(6)上的光电感应装置(2)、以及用于驱动所述集热器(6)跟踪太阳的跟踪驱动装置(5)，还包括提供位置和时钟的信息装置(3)和控制所述跟踪驱动装置(5)的控制装置(4)；所述控制装置(4)分别与气象站(1)、所述光电感应装置(2)以及信息装置(3)通信连接并接收所述气象站(1)的天气信息、所述光电感应装置(2)的光强信息以及信息装置(3)的位置和时钟信息；本发明的装置减少安装调整，便于安装，降低了制造加工的精度要求,并且降低安装成本。对于所有的采用天文跟踪的槽式集热场，本发明可以进行定期检测转轴实际空间位置，调整跟踪转角，实现更高精度跟踪。

Description

一种太阳跟踪装置

技术领域

本发明涉及一种槽式太阳聚光器的跟踪装置，特别是一种槽式太阳聚光集热器的跟踪控制装置，属于能源利用技术领域。

背景技术

太阳能作为一种清洁、无污染的可再生能源，其开发和利用被认为世界能源战略的重要组成部分。太阳能热利用是太阳能利用中最主要的方式，槽式太阳能热利用系统主要借助于槽式抛物面聚光器将太阳光发射汇聚到集热管上，通过管内介质把热能导出进行利用，其具有效率较高、规模大、易于标准化等特点。

太阳能热发电是一种替代常规能源的方法，是各国科学家和政府关注的重点之一，按照聚光型式的不同。太阳能热发电主要有塔式、槽式、碟式三种方式，其中槽式太阳能热发电是商业化水平较高、技术较为成熟的一种。现行的跟踪控制装置，主要是光电跟踪或是天文跟踪。光电跟踪法在多云天无法保证高跟踪精度跟踪，而安装、变形误差等影响天文跟踪法跟踪精度。这样均会影响太阳能集热系统的稳定高效运行。本装置能够以较低成本地提供较好符合槽式热利用跟踪控制装置，符合槽式热利用系统地需求。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有相关槽式太阳跟踪控制装置的不足，提供了一种能够很好的满足槽式集热器的太阳跟踪精度要求，降低槽式跟踪装置的加工精度要求并降低生产成本，较高跟踪精度也提高了集热的效率，可降低运行成本，且稳定可靠的太阳跟踪装置。

一种太阳跟踪装置，包括集热器(6)、安装在所述集热器(6)上的光电感应装置(2)、以及用于驱动所述集热器(6)跟踪太阳的跟踪驱动装置(5)，还包括提供位置和时钟的信息装置(3)和控制所述跟踪驱动装置(5)的控制装置(4)；所述控制装置(4)分别与气象站(1)、所述光电感应装置(2)以及信息装置(3)通信连接并接收所述气象站(1)的天气信息、所述光电感应装置(2)的光强信息以及信息装置(3)的位置和时钟信息；

所述控制装置(4)根据气象站(1)的天气信息确定跟踪方式；在晴天时，所述控制装置(4)根据光电感应装置(2)的光强信息提供信号给所述跟踪驱动装置(5)驱动所述集热器(6)跟踪太阳；在非晴天时，所述控制装置(4)根据信息装置提供的位置和时钟信息有天文算法得到太阳的方位角度和高度角，计算所述集热器(6)在不同时刻的跟踪位置，提供信号给所述跟踪驱动装置(5)驱动所述集热器(6)跟踪太阳。

所述集热器(6)在晴天时根据所述控制装置(4)确定的所述集热器(6)在不同时刻的跟踪位置调整所述集热器(6)的位置。

所述集热器的跟踪位置的计算如下：

实际跟踪转轴向量的单位向量为(sinγcosθ,sinγsinθ,cosγ)，太阳光线向量的单位向量为(sinβcosα,sinβsinα,cosβ)。

其中，α为太阳方位角，β为太阳高度角的余角，θ为过正南向且与水平面垂直的竖直平面和转轴的夹角，γ为水平面与转轴的夹角

过转轴和太阳光线平面的法向量R

太阳光线向量与实际跟踪转轴向量的夹角ζ为:ζ＝arccos(sinγcosθsinβcosα+

sinγsinθsinβsinα+cosγcosβ)；那么

|R|＝sinζ

跟踪平面的初始法向量的单位向量N为:(-cosγsinθ，-cosγcosθ，sinγ)，则向量R和向量N的夹角为

跟踪时要求向量转入跟踪平面，由向量关系可得

即实际跟踪转角为:

根据不同时刻记录的转角ω、方位角α、高度角推导出θ，γ；得出所述集热器在不同时刻的跟踪位置。

转角公式为：

有益效果：

本发明的装置减少安装调整，便于安装，降低了制造加工的精度要求,并且降低安装成本。对于时效等原因产生的变形,沉降等引起跟踪误差,本发明可以很方便地定期调整，可以既满足跟踪要求,又不增加运行成本。对于所有的采用天文跟踪的槽式集热场，本发明可以进行定期检测转轴实际空间位置，调整跟踪转角，实现更高精度跟踪。本发明采用了调整的方式，更好的跟踪精度,提高太阳能的利用，可以降低单位产能的成本,从而提高槽式太阳能的利用价值。

附图说明

图1是槽式太阳聚光集热器的跟踪装置图。

图2是槽式太阳聚光集热器的跟踪转轴立体图。

图3是过跟踪转轴并垂直于水平面的截面图。

其中图1中：1、气象站；2、光电感应装置；3、提供位置和时钟的信息装置；4、控制装置；5、跟踪驱动机构；6、槽式集热器。

其中图2中：XOY为水平面，OX方向为正南向，OY为正东向，OZ指向天顶,OB为实际跟踪转轴，C点为B点在XOY平面上的投影，E点位C点在OB上的投影，OS指向太阳，D点为S点在XOY平面上的投影。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明：

图1为本发明槽式太阳聚光集热器的跟踪装置图。如图1所示，本发明的槽式太阳跟踪装置包括槽式集热器6、光电感应装置2、信息装置3、控制装置4以及跟踪驱动装置5。光电感应装置2安装在槽式集热器6上，跟踪驱动装置5与槽式集热器6连接，用于驱动槽式集热器6的运动。控制装置4分别与气象站1、光电感应装置2以及信息装置3通信连接。气象站1用于提供天气信息，光电感应装置2接收光强并提供光强信息，信息装置3可以提供位置和时钟信息。控制装置4分别接收气象站1、光电感应装置2以及信息装置3提供的信息。控制装置4与跟踪驱动装置5通信连接，控制装置提供驱动信号给跟踪驱动装置5,跟踪驱动装置5根据驱动信号驱动槽式集热器6运动跟踪太阳。

本发明的工作原理如下：

控制装置4接收气象站1提供的天气信息确定跟踪方式。在晴天时，控制装置4根据光电感应装置2的光强信息，确定当前接收的光强信息是否最强，如果不是，提供控制信号给跟踪驱动装置5驱动集热器(6)按照得到的转角转动，跟踪太阳。在非晴天时，控制装置4根据信息装置提供的位置和时钟信息依据天文算法得到在不同时刻的太阳方位角及太阳高度角，从而计算得到槽式集热器6在不同时刻的跟踪位置，提供控制信号给跟踪驱动装置5驱动槽式集热器6运动跟踪太阳。

本发明中的计算跟踪转轴的转角过程如下：

图2是槽式太阳聚光集热器的跟踪转轴立体图。设图2中：∠XOC＝θ,∠BOZ＝γ,∠XOD＝α,∠SOZ＝β。设过跟踪转轴与跟踪面法向量构成的平面垂直于水平面时转轴转动角度ω为0度。跟踪面的法向量早上指向正东,中午指向天顶.所以是变化的,即中午时转角为0度。

控制装置4根据信息装置3提供的位置和时钟信息依据天文算法计算并记录当时的太阳方位角α，即∠XOD＝α；以及高度角余为β，即

理想跟踪平面上过转轴的法平面向量I为

实际跟踪转轴向量单位向量为(sinγcosθ,sinγsinθ,cosγ)

太阳光线向量单位向量为(sinβcosα,sinβsinα,cosβ)

实际跟踪平面上过转轴的法平面向量R

向量与向量的夹角ζ为:ζ＝∠BOS＝arccos(sinγcosθsinβcosα+sinγsinθsinβsinα+

cosγcosβ)

而跟踪平面的初始法向量的单位向量N

为:(-cosγsinθ，-cosγcosθ，sinγ)，则向量R和向量N的夹角为

跟踪时要求向量转入BOS平面，由向量关系可得

即跟踪转角为:

根据晴天不同时刻记录的列向量转角ω、方位角α、高度角推导θ，γ。

转角公式为：

控制装置4根据得到的角度向跟踪驱动装置5发出控制信号，跟踪驱动装置5根据控制信号控制槽式集热器6运动，从而实现较高精度的天文跟踪。

同时，在晴天时，控制装置4可以根据光电感应装置2提供的光强信息和信息装置3提供的位置和时钟信息确定槽式集热器6的转角，确定槽式集热器6在不同时刻的跟踪位置。之后控制装置4根据信息装置3提供的位置和时钟信息依照天文算法计算出在不同时刻的太阳方位角及高度角，从而计算得到槽式集热器6在不同时刻的跟踪位置，并与光电跟踪法确定的跟踪位置比较。如果存在误差，则对槽式集热器6进行调整，使得槽式集热器6通过天文算法得到的在不同时刻的跟踪位置符合光电跟踪法所得到的在不同时刻的跟踪位置相符。

本发明将光电跟踪法与天文跟踪法结合起来，能够实现在不同天气情况下采用不同的跟踪方法，提高了跟踪精度。且可以在晴天条件下根据光电跟踪法对本发明的槽式集热器6的空间位置及实际转轴转角进行自动调整,以提高采用天文跟踪时的跟踪精度，可以降低了制造加工的精度要求,并且降低安装成本，可以既满足跟踪要求,又不增加运行成本，实现更高精度跟踪,提高太阳能的利用。

本发明还可以有其它实施方式，凡依据本发明的技术实质所采用的任何细微修改、等效变换、替代所形成的技术方案，均落在本发明专利要求保护的范围之内。

Claims (2)

1.一种太阳跟踪装置，包括集热器(6)、安装在所述集热器(6)上的光电感应装置(2)、以及用于驱动所述集热器(6)跟踪太阳的跟踪驱动装置(5)，其特征在于，还包括提供位置和时钟的信息装置(3)和控制所述跟踪驱动装置(5)的控制装置(4)；所述控制装置(4)分别与气象站(1)、所述光电感应装置(2)以及信息装置(3)通信连接并接收所述气象站(1)的天气信息、所述光电感应装置(2)的光强信息以及信息装置(3)的位置和时钟信息；所述控制装置(4)根据气象站(1)的天气信息确定跟踪方式；在晴天时，所述控制装置(4)根据光电感应装置(2)的光强信息提供信号给所述跟踪驱动装置(5)驱动所述集热器(6)跟踪太阳；在非晴天时，所述控制装置(4)根据信息装置提供的位置和时钟信息由天文算法得到太阳的方位角度和高度角，计算所述集热器(6)在不同时刻的跟踪位置，提供信号给所述跟踪驱动装置(5)驱动所述集热器(6)跟踪太阳；所述集热器的跟踪位置的计算如下：

实际跟踪转轴向量的单位向量为(sinγcosθ,sinγsinθ,cosγ)，太阳光线向量的单位向量为(sinβcosα,sinβsinα,cosβ)；

其中，α为太阳方位角，β为太阳高度角的余角，θ为过正南向且与水平面垂直的竖直平面和转轴的夹角，γ为水平面的法线与转轴的夹角

过转轴和太阳光线平面的法向量R

太阳光线向量与实际跟踪转轴向量的夹角ζ为:ζ＝arccos(sinγcosθsinβcosα+sinγsinθsinβsinα+cosγcosβ)；那么

|R|＝sinζ

跟踪平面的初始法向量的单位向量N为:(-cosγsinθ，-cosγcosθ，sinγ),则向量R和向量N的夹角为跟踪时要求向量转入跟踪平面，由向量关系可得

即实际跟踪转角为:

根据不同时刻记录的转角ω、方位角α、高度角推导出θ，γ；得出所述集热器在不同时刻的跟踪位置。

2.根据权利要求1所述的太阳跟踪装置，其特征在于，所述集热器(6)在晴天时根据所述控制装置(4)确定的所述集热器(6)在不同时刻的跟踪位置调整所述集热器(6)的位置。